氢气转化为绿色气体

斯蒂芬·哈里森于2020年6月19日

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在合适的微生物的帮助下，氢气和二氧化碳(CO2)可以结合形成甲烷和水。如果我们把从工业过程中捕获的二氧化碳和使用可再生电力在电解器中产生的氢气加入到这个过程中，我们就有了生产“绿色气体”的方法。

但是，为什么我们要用氢气，一种易燃且易于运输的气体，来生产具有类似性质的甲烷呢？

部分答案很简单，我们的天然气分配基础设施是用来分配甲烷的。每立方米甲烷的热值比氢气高，因此公平的计量和计价也是一个考虑因素。

此外，在许多欧洲国家，我们必须找到一种可靠的方法来平衡可再生能源发电的季节性不平衡，可再生能源发电在夏季达到高峰，而能源需求在冬季达到高峰。将氢气转化为甲烷用于长期地下储存是解决年度供需失衡的一种方式。

这些是在奥地利运行的“地下太阳转换”项目背后的概念。

使用波峰来填充波谷

在奥地利，大约65%的电力来自可再生能源。其中大部分来自多瑙河的水力发电厂。在夏季降雨的月份，河上的溪流很强，但在冬季，当降水以雪的形式堆积在陆地上时，溪流就变得安静了。

实现可再生能源发电量的前65%相对容易，但从65%接近100%将变得越来越困难。因此，在夏季达到发电量的峰值，并储存起来供冬季使用，是这个国家面临的关键挑战。而且，他们并不孤单。许多其他中欧国家，如德国、瑞士和捷克共和国，有着相似的天气模式，面临着相似的挑战。

在夏季的几个月里，太阳能发电也受到白天产能过剩和夜间产能不足的困扰。然而，电池或抽水蓄能水电计划可以有效地用来消除这些短期需求失衡。

“为了提供能利用夏季高峰填满冬季低谷的长期能量储存，我们必须将能量储存在分子中”。这是奥地利国际集团绿色气体技术主管斯蒂芬·鲍尔得出的结论。他在上奥地利皮尔斯巴赫附近运行的“地下太阳转换”项目旨在证明他的断言的可行性。

H2观点

这个项目名称背后有很多逻辑，因为几百万年前微生物利用太阳能将生物质转化为甲烷。这一过程现在被复制到地下1000米的多孔岩石中。

鲍尔解释道，“我们将氢气和二氧化碳注入地下岩层，这里以前是一个多产的天然气田。天然气早已从这种枯竭中被回收，但岩石结构仍然可以用来储存甲烷。当我们将气体注入地下时，数以百万计的微生物在岩石的多孔层中工作，将氢气和二氧化碳转化为水和甲烷。我们可以继续这个过程，直到储气库充满，那将是几年。但我们的目标是在夏天制造甲烷，在冬天将其释放到天然气 。”

为了符合100%可再生能源的长期净零愿景，该过程必须使用绿色氢。此外，“地下太阳转换”还可以用来捕获和消耗大量的二氧化碳，这些二氧化碳全年都是由钢铁和水泥生产或化石燃料发电等工业过程产生的。“我们的过程可以被认为是一个连续的碳循环，”鲍尔说。“而且，通过采购绿色氢，我们可以确保它是可持续的和碳中和的，以支持欧盟绿色协议2050年脱碳和气候变化目标。”

H2观点

氢是这个过程的核心

地下太阳能转换项目中的一项基础技术是电解制氢。

RAG选择McPhy作为项目合作伙伴来供应电解槽。鲍尔解释道，“我们的选择过程非常稳健。首先，我们定义了关键的采购标准，例如:需要相关的参考装置；安全管理流程；建议书的技术质量；我们规定的运行模式和初始资本支出的能源转换效率。我们的目标是找到一个在10年内总成本最低的解决方案。”

“然后，我们启动了招标程序，并对投标进行了评估。到目前为止，我们对将麦菲作为地下太阳转换项目合作伙伴的决定非常满意。”

德国麦克菲能源公司的克里斯托弗·布拉茨解释了他的公司是如何参与这个项目的。“我们的一台氢电解器是这一过程的核心。按照现代标准，这是一个中等规模的装置，每小时消耗0.5兆瓦的能量来生产100纳米3的氢气。”

氢电解槽的商业化生产仍处于工业化的早期阶段。随着电解槽的尺寸从目前的10兆瓦级扩大到100兆瓦和10兆瓦级，成本降低仍是可以实现的。Braatz解释了McPhy是如何解决这个问题的。“我们认为电解装置的初始成本必须降低，以确保氢气是一种具有成本竞争力的能源解决方案。实现这一目标的部分关键在于扩大规模。我们今天的设备基于模块化概念，使用1-4MW范围内的电解槽组。现在这没问题，当我们建造高达100兆瓦的系统时也没问题。”

“但当我们开始建造1GW电解槽时，我们的愿景是使用基于新的更大电池堆尺寸的模块化设计，例如5到10MW。这有点像建一堵墙:如果你想建一堵更大的墙，使用更大的砖块是有意义的。

H2观点

强大的安全和质量管理系统是关键

工业气体部门处理氢气已经有一个多世纪了。同样，天然气电 运营商几十年来一直在使用天然气。

这些陈述并不意味着使用氢气或甲烷是没有风险的。然而，他们确实指出了专业知识的广度和深度，这些知识可以指导与氢气生产及其用于气体 格注入相关的安全管理系统。

德国图瓦工业服务有限公司检测机构天然气部门技术经理冈特拉姆·施诺茨解释了他是如何涉足氢气行业的。“在我的团队中，我们研究能源气体。我们的检验和认证服务以天然气配送为重点，并已扩展到包括氢电解槽。”

天然气和氢气的专业知识相结合，意味着他的团队非常有资格从事将氢气掺入天然气 的项目。

深厚的专业知识是必不可少的，因为监管框架很复杂，有许多微妙的细微差别。“根据德国的标准，有一点很有趣，那就是区分工业用气体供应系统和能源气体公用事业系统，”施诺茨说。“基本原理是能量必须继续流动。想象一下，在零下20摄氏度的冬夜，天然气被用来给房子供暖。没有人希望经历供应中断。这意味着能源系统的设计必须保证必要的测试和检查能够在运行中完成。”

根据德国监管框架，设计用于供应工业过程的气体供应系统可在停工期间接受检查。

关于氢气纯度，国际标准化组织14687是相关的。它规定质子交换膜燃料电池产生的氢气必须考虑许多杂质，如氨、甲酸和甲醛。另一方面，当生产氢气用于与天然气混合时，规范仅涵盖少量杂质，如硫化合物和一氧化碳。

Schnotz解释说，产品纯度测量对安全性也很重要。“在设计过程中，电解槽的风险评估将考虑阳极的氧气与阴极的氢气结合形成爆炸性气体混合物的可能性。测量纯氢气流中的微量氧，反过来测量纯氧气流中的氢，可能是适当的风险缓解措施。这是我们在检查过程中寻找的一个例子——证明规定的安全预防措施已被纳入最终安装。”